光驱动碳中和研究团队在人工光合作用领域取得重要进展

近期，星空在线,星空在线(中国)光驱动碳中和研究团队在大规模人工光合作用领域取得重要进展，相关工作“A Ni-O-Ag photothermal catalyst enables 103-m²artificial photosynthesis with >17% solar-to-chemical energy conversion efficiency”以河北大学为第一单位发表在《Science Advances》（IF=13.6, 2024, 10, eadn5098）。李亚光博士为论文第一作者兼通讯作者，中国科学院物理研究所孟庆波研究员为共同通讯作者。

光伏发电具有明显的波动性，这会影响电力系统的稳定。科学家模拟光合作用，开发了光伏电催化CO₂资源化技术，即利用光伏电能驱动CO₂转换为化工产品。但是该技术只能做到1m²量级的示范，并且电极材料成本较高。在前期的工作中，李亚光博士与孟庆波研究员联合提出了光伏电催化分解水-光热CO₂加氢耦合的新型人工光合作用系统这一设想。在此基础上，李亚光课题组开发了Ni-O-Ag光热催化剂，使得该系统能够在低密度太阳光辐照下运行；并在河北大学生命科学与绿色发展研究院的资助下，构建了100平方米量级的新型人工光合作用系统示范。

本工作中，李亚光课题组合成了Ag单原子负载NiO纳米片（2D Ni₁Ag_0.02O₁），原位DRIFTS和理论计算表明，CO₂在2D Ni₁Ag_0.02O₁的不对称吸附增强了CO₂的活化能力，这使得2D Ni₁Ag_0.02O₁催化剂在室外低密度太阳光辐照下展现出高效的光热逆水煤气反应，在标准太阳光辐照下，其CO产率达到1065 mmol g^-1h^-1。基于2D Ni₁Ag_0.02O₁催化剂辅助的光热CO₂加氢系统和商用的光伏电解水制氢系统，李亚光课题组与孟庆波课题组联合研制了光照面积达到103平方米的人工光合作用系统示范。该示范能够摆脱电网依赖，实现全离网运行；在自然太阳光辐照下，能够将CO₂和H₂O转换为绿色合成气，其产量达到~22m³/天，H₂/CO比可以调整为0.4-3，平均太阳能-化学能转换效率为17.0%。这项工作显示了光伏-光热耦合技术在人工光合作用领域的应用潜力，为光驱动碳中和领域的深度开发提供了一条可行的路径。

以上工作得到河北省自然科学基金、国家自然科学基金、河北省科技厅、河北省教育厅、河北大学自然科学多学科研究项目、河北农业大学科研基金项目、中科院等资助以及河北大学物理学院公共测试中心的大力支持。

文献链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adn5098